Fonctionnement des panneaux solaires

Le rayonnement solaire est une source d’énergie renouvelable et inépuisable — du moins pour les quelques prochains milliards d’années — et surtout parfaitement gratuite. Or, le progrès des technologies et du fonctionnement des panneaux photovoltaïques vous permet aujourd’hui d’exploiter pleinement cette manne énergétique, et de produire votre propre électricité — ou de la chaleur dans le cas de capteurs thermiques — afin de diminuer votre facture de façon très significative tout en gagnant en autonomie.

Mais comment, au juste, une installation perchée sur votre toiture parvient-elle à transformer la lumière de l’astre du jour en un courant électrique consommable par vos principaux appareils domestiques ? Le principe de fonctionnement des panneaux solaires photovoltaïques est relativement simple à assimiler et mérite d’être compris avant de vous engager dans un investissement de long terme.

Découvrez ci-dessous l’essentiel à savoir sur les principaux mécanismes de l’énergie solaire avec Hellio, partenaire privilégié de vos projets et de nombreux installateurs certifiés RGE en France.

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Fonctionnement des panneaux photovoltaïques : comment ça marche ?

Un élément « photovoltaïque », pour reprendre la définition la plus basique du terme, est capable de convertir des photons en volts, c’est-à-dire une énergie lumineuse (radiative) en énergie électrique. Cette réaction est obtenue en exploitant certaines lois de la physique et obéit à des règles de fonctionnement relativement simples.

De quoi est composée une installation photovoltaïque ?

Rappelons tout d’abord qu’une installation de panneaux solaires, souvent vendue et installée en kit, ne se résume pas aux panneaux. Elle inclut un ensemble de composants ayant chacun une mission distincte, dont :

• Les modules de cellules photovoltaïques (c’est-à-dire les panneaux), dont le rôle est de transformer l’énergie lumineuse du soleil en un courant électrique continu ;
• Le système de montage ou d’intégration à la toiture, permettant d’ancrer solidement les panneaux au bâti et d’assurer leur stabilité pendant de longues années ;
• Les éléments d’abergement, assurant une jonction harmonieuse et étanche entre le revêtement de toiture et les panneaux ;
• L’onduleur solaire (ou micro-onduleur), qui reçoit le courant continu produit par les panneaux pour le transformer en courant alternatif, compatible avec le réseau d’électricité domestique ;
• Le compteur de production d'électricité, branché à l’installation, qui renseigne le propriétaire sur la quantité d’énergie produite en kilowattheures (kWh) ;
• Les divers éléments de câblage.

Principe de fonctionnement d’une installation solaire photovoltaïque

Chaque panneau solaire est constitué d’un ensemble de cellules photovoltaïques, dont les dimensions sont variables. Selon les constructeurs et les technologies, une cellule classique a généralement une largeur et une longueur d'environ 150-160 mm. Cependant, le silicium amorphe — plus rare — permet davantage de souplesse, voire du sur-mesure : une cellule peut ainsi afficher une taille comprise entre 12 et près de 300 mm, pour un voltage de 1,5 à 24 V (source : Solems).

Contrairement à une idée reçue, la production d’un panneau solaire photovoltaïque dépend uniquement de l’intensité de la lumière reçue, et pas de la chaleur. Ainsi, la production d’un panneau peut rester excellente en plein hiver si le ciel est dégagé et le soleil rayonnant. Une température extérieure élevée, bien au contraire, peut entraîner une dégradation du rendement du panneau. Au-delà de 25 °C, il commence à chuter à raison de 0,5 % par degré supplémentaire.

L’effet photovoltaïque a été découvert par Antoine Becquerel en 1839, et se fonde sur les propriétés intéressantes de certains matériaux dits « semi-conducteurs » lorsqu’ils rentrent en contact avec le rayonnement du soleil. Ces semi-conducteurs contiennent des électrons qui, en cas de stimulation par les photons solaires, absorbent une partie de leur énergie et entrent en mouvement rapide, générant ainsi une tension électrique.

Pour la conception de panneaux photovoltaïques, le matériau semi-conducteur le plus massivement employé reste actuellement le silicium. Il est extrait en majeure partie de la transformation du sable.

Le courant continu produit par les panneaux est transmis à l’onduleur solaire, chargé de le transformer en courant alternatif. Ce dernier peut ensuite être consommé librement par les habitants du foyer, ou réinjecté et revendu sur le réseau public d’électricité.

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Comment sont fabriqués les panneaux photovoltaïques pour fonctionner ?

La conception des panneaux solaires photovoltaïques repose sur un processus industriel précis et complexe. Les méthodes varient légèrement selon le type de panneau (monocristallin ou polycristallin).

Procédé de fabrication des panneaux solaires photovoltaïques

La construction d’un panneau solaire nécessite tout d’abord de disposer d’un lingot de silicium. Ce dernier est obtenu en agglomérant une grande quantité de ce matériau semi-conducteur, après son extraction de la matière sableuse, puis en le portant à très haute température et en le mélangeant à du bore (élément chimique).

Le matériau, une fois refroidi, est découpé en lingots, puis en plaques de silicium, appelées des « wafers ». Ces wafers font ensuite l’objet d’un traitement à base de phosphore monté à très haute température. Cette étape est essentielle pour donner au silicium son effet photovoltaïque. La plaque, enfin, est conditionnée en panneau solaire, avec l’ajout d’un encadrement et d’une protection — le plus souvent une feuille blindée.

Quels sont les différents types de panneaux photovoltaïques ?

On distingue deux grands types de panneaux solaires en fonction du procédé de fabrication :

• Les panneaux solaires monocristallins, plus performants, contiennent des cellules photovoltaïques fabriquées chacune à partir d’un cristal unique de silicium. Leur conception est plus complexe et coûteuse, dans la mesure où un traitement purificateur est nécessaire pour isoler et obtenir un cristal unique.

• Les panneaux solaires polycristallins ont un procédé de fabrication moins exigeant. Ils sont généralement constitués avec les chutes de silicium issues de la fabrication des panneaux monocristallins. En contrepartie, ils sont aussi moins chers.

Les deux fonctionnent de la même manière, mais le rendement moyen d’un panneau monocristallin se situe typiquement entre 14 et 19 % selon Selectra. Concernant son coût, comptez environ 8 000 € pour une installation d’une puissance totale de 3 kWc (source : Otovo). Le rendement moyen d’un panneau polycristallin, quant à lui, est de 11 à 15 % selon les cas. En contrepartie, le propriétaire paie moins cher (environ 6 500 € pour une installation de puissance équivalente).

Comment mesure-t-on le rendement d’un panneau solaire photovoltaïque ?

Le courant électrique produit par une installation photovoltaïque est l’addition de la production de l’ensemble des cellules des panneaux solaires installés. Cette puissance électrique maximale pouvant être fournie est désignée sous le nom de « puissance crête », et exprimée en kilowatts-crête (Wc).

La puissance crête ne doit pas être confondue avec le taux de rendement du panneau, qui désigne quant à lui le rapport entre la quantité d’électricité produite et la quantité de rayonnement solaire reçu. Ce taux est généralement compris entre 7 et 24 % selon Selectra, pour un fonctionnement correct, et dépend entre autres du type de panneau solaire (voir ci-dessous), de l’ensoleillement de votre région, de l’inclinaison du toit et de son orientation par rapport au soleil. Avant de vous lancer, faites une simulation gratuite pour connaître le rendement de vos futurs panneaux solaires.

Les électrons du matériau semi-conducteur ne peuvent absorber qu’une quantité limitée de l’énergie apportée par les photons du rayonnement solaire. Les études théoriques ont démontré qu’il sera physiquement impossible d’aller au-delà d’un rendement énergétique de 35 % (source : Helmholtz Zentrum Berlin).

Attention aux arnaques de certaines entreprises malintentionnées qui promettent, par exemple, une rentabilité irréaliste ou bien des panneaux solaires à 1 euro.

30 %. C’est le dernier record connu en matière de taux de rendement énergétique d’un panneau photovoltaïque. Il a été obtenu en 2020 par des scientifiques du Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB), un institut de recherche en Allemagne. Il n’est pas interdit de penser que ces progrès profiteront bientôt aux panneaux solaires commerciaux, et rendront la technologie encore plus accessible. En dix ans seulement, le coût de revient de l’énergie solaire a déjà chuté de 82 % !

Comment fonctionne le recyclage des panneaux photovoltaïques ?

Les installations solaires sont recyclables à plus de 90 %. La collecte et le traitement des panneaux sont pris en charge par Soren, une organisation à but non lucratif anciennement connue sous le nom de PV Cycle. Cet organisme, agréé par les pouvoirs publics, propose des services de gestion des déchets adaptés et collectifs à l'échelle mondiale. En France, plus de 200 points de collecte d'équipements sont disponibles.

Panneaux photovoltaïques : quelles sont les utilisations possibles en milieu domestique ?

Les panneaux solaires photovoltaïques installés sur une maison peuvent faire l’objet de deux principaux modes de consommation : l’autoconsommation (partielle) de l’électricité produite ou sa revente totale. Leur fonctionnement diffère, notamment au niveau du compteur.

Autoconsommation de l’électricité solaire

Une installation solaire en autoconsommation vous permet à la fois :

• De consommer tout ou une partie de l’énergie solaire produite, pour alimenter vos appareils ou recharger une voiture électrique ;
• De revendre le surplus d’électricité via l’obligation d’achat EDF (OA EDF) à 10 centimes d'€ le kWh.

Ce mode d’installation suppose que les panneaux solaires soient raccordés au compteur d’électricité de l’habitation et au réseau électrique domestique. Dans la mesure où le pic de production des panneaux solaires et le pic de consommation de la plupart des foyers n’interviennent pas aux mêmes heures, il sera difficile de consommer la totalité de votre propre électricité. Un bon taux d’autoconsommation est normalement situé entre 30 et 50 %.

Si vous souhaitez consommer vous-même un maximum de l’énergie produite par vos panneaux, vous pouvez envisager l’achat d’une ou plusieurs batteries solaires physiques ou virtuelles. Attention toutefois : ces dispositifs sont coûteux et doivent être régulièrement remplacés. Il est important de bien comparer le coût de revient de cet équipement avec son alternative, c’est-à-dire la revente du surplus d’électricité à EDF.

Revente totale de l’électricité solaire

Si vous optez pour une revente totale de l’énergie solaire produite, l’installation dispose de son propre compteur, indépendant de celui de l’habitation. Pour rappel, l’obligation d’achat EDF (EDF OA), valable pour 20 ans à compter de la date de pose des panneaux, vous permet d’être rémunéré à hauteur de :

• 12,05 cts par kWh pour une installation d’une puissance inférieure ou égale à 3 kWc ;
• 10,24 cts par kWh pour une installation d’une puissance supérieure à 3 kWc et inférieure ou égale à 9 kWc ;
• 13,18 cts par kWh pour une installation d’une puissance supérieure à 9 kWc et inférieure ou égale à 36 kWc ;
• 11,46 cts par kWh pour les installations d’une puissance supérieure à 36 kWc et inférieure ou égale à 100 kWc.

Ces tarifs de rachat sont valables pour l'année 2024. Ils peuvent évoluer à chaque trimestre.

Comment fonctionne le stockage de l'électricité de panneaux photovoltaïques ?

Les panneaux photovoltaïques ne disposent pas de système de stockage intégré pour l'électricité produite. Celle-ci doit être consommée immédiatement par le foyer. Si elle n'est pas utilisée sur le moment, l'excédent est soit vendu à EDF pour alimenter le réseau, soit perdu si le bâtiment n'est pas connecté.

Pour atteindre l'autonomie énergétique ou encourager l'autoconsommation, de nombreux particuliers souhaitent stocker l'électricité produite pour une utilisation future. Un système de stockage, qu'il soit sous forme de batterie solaire physique (en plomb ouvert, AGM, GEL ou lithium) ou virtuelle, permet de répondre à ce besoin.

Comment fonctionnent les panneaux solaires thermiques ?

Les panneaux solaires thermiques ne produisent pas d'électricité (contrairement aux panneaux photovoltaïques), mais de la chaleur.

Les capteurs solaires, disposés sur le toit d'un bâtiment ou au sol, utilisent le rayonnement solaire pour chauffer un liquide caloporteur. Une fois chauffé, ce fluide circule vers l'échangeur thermique du chauffe-eau solaire pour le chauffer. De plus, lorsque le taux d'ensoleillement est insuffisant et la température trop basse dans les ballons de stockage, alors la chaleur doit être produite par un système d'appoint (grâce à un circuit indépendant).

On peut distinguer deux types de panneaux thermiques : le chauffe-eau solaire et le système solaire combiné.

Fonctionnement d’un chauffe-eau solaire

Un chauffe-eau solaire est dédié à la production exclusive d'eau chaude sanitaire (ECS). Il est composé d’un capteur solaire, d’un ballon de stockage de l’eau et d’une tuyauterie qui relie le capteur et le ballon, permettant le transfert de chaleur avec le fluide caloporteur.

Il existe différents types de capteurs solaires, tels que les capteurs (Ademe) :

• Sous vide : sont les plus efficaces, les plus chers et les plus fragiles ;
• Plans vitrés : produisent généralement de l’eau entre 50 et 90 °C, ils sont les plus connus ;
• Non vitrés : produisent de l’eau jusqu’à environ 30 °C, ils sont moins performants, mais moins coûteux ;

Quant aux ballons de stockage, ils se déclinent en deux modèles : les ballons verticaux (les plus courants et efficaces) et les ballons horizontaux.

Fonctionnement d’un système solaire combiné

Un système solaire combiné permet de fournir à la fois le chauffage et l'eau chaude sanitaire en utilisant l'énergie solaire.

Il existe trois types de systèmes solaires combinés :

• Système à hydroaccumulation : la chaleur générée est stockée dans un réservoir d'eau tampon du ballon de stockage. Ce réservoir alimente à la fois le réseau de chauffage et les émetteurs de chaleur (planchers chauffants, les murs chauffants ou les radiateurs).
• Système direct : le fluide caloporteur circule directement dans les émetteurs de chaleur, permettant de réduire les pertes de chaleur.
• Système mixte : il combine les deux systèmes mentionnés ci-dessus.

Quel est le fonctionnement d’un panneau solaire hybride ?

Ces panneaux hybrides combinent à la fois un système photovoltaïque et thermique, c’est-à-dire qu’ils sont capables de générer de l’électricité et de la chaleur. Les cellules photovoltaïques convertissent l'énergie solaire en électricité, tandis que les capteurs thermiques utilisent un fluide caloporteur pour récupérer la chaleur du soleil. Cette chaleur est ensuite transportée vers un ballon de stockage où elle peut être utilisée pour chauffer de l'eau.

Ce système hybride se divise en deux modèles :

• Les panneaux solaires hybrides à air (aérovoltaïque) sont souvent utilisés dans le cadre d’une rénovation énergétique. Ces panneaux sont dotés d'une ventilation à l'arrière, permettant de récupérer l'air chaud. Cet air chaud peut être utilisé pour chauffer votre maison et/ou pour alimenter votre ballon thermodynamique et produire de l'eau chaude sanitaire.
• Les panneaux solaires hybrides à eau : le principe est similaire, mais au lieu d'utiliser de l'air, ce système utilise de l'eau pour chauffer l’eau chaude sanitaire. Cependant, pour le chauffage, il est nécessaire d'avoir déjà des radiateurs à eau (en fonte) ou d'envisager leur installation.

Conclusion : en dépit d’un procédé de fabrication particulièrement complexe, le principe de base du fonctionnement des panneaux solaires - photovoltaïques, thermiques ou hyrbides - est relativement simple et apporte de nombreux avantages. Les progrès constants de la technologie, de plus, permettent d’améliorer le rendement et la durée de vie des panneaux, et donc la rentabilité d’un projet.

Avant de vous lancer, anticipez les différentes démarches et déclarations à réaliser !

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